протона отсутствует Д.Д.Иваненко сформулировал протоно-нейтронную концепцию
строения атомного ядра, которую затем разработал В.Гейзенберг. Ядра,
состоящие из протонов и нейтронов получили название нуклонов. В том же 1932
году в космических лучах К.Андерсоном был открыт позитрон - положительно
заряженный электрон, обеспечивший симметрию между положительным и
отрицательным зарядами во взаимоотношениях частиц. Его существование было
предсказано П.Дираком, исходившим из того, что положительные заряды во
Вселенной представляют собой своего рода недостающие части мирового
отрицательного заряда - позитрон есть "дырка" в распределении электронов с
отрицательной энергией. Столкновение электрона и позитрона приводит к
аннигиляции - их превращению в два фотона, испускаемые в противоположных
направлениях.
в) Процессы ядерного превращения
Следующий вопрос, который встал перед физиками после выявления структуры
атомного ядра, касался сил, скрепляющих нуклоны в ядре. В связи с его
расширением выяснилось, что взаимоотношения между нейтроном и протоном не
столь просты, как казалось вначале. Оказалось, что точнее говорить о
структуре атомного ядра, состоящей из протонов, нейтронов и мезонов.
Мезоны, существование которых было в 1935 году предсказано Г.Юкавой и
открыто Ч.Андерсоном и С.Неддермейером, и оказались силами притяжения,
которые по величине превосходят электрические силы, действующие между
одноименно заряженными протонами. Ядерные силы - это вид основных
физических сил, действующих в природе, наряду с гравитационными и
электромагнитными.
Из всех названных частиц нейтрон оказался наиболее пригодным для
осуществления процесса ядерного превращения, поскольку ввиду отсутствия у
него заряда он способен глубже проникнуть в вещество, входить в
положительно заряженные ядра атомов, которые отталкивают положительно
заряженные протоны и альфа-частицы. Благодаря этому в краткий срок было
изучено действие нейтронов на различные ядра, что привело к открытию
искусственной радиоактивности. Решающее достижение в этой области
принадлежит Ф.Жолио Кюри и И.Кюри, установившим, что почти все подвергнутые
бомбардировке атомы становятся радиоактивными. Это означало, что
естественная радиоактивность является лишь остаточной активностью атомов,
которые еще не успели достичь устойчивых состояний. Знание атомных
превращений могло помочь объяснить, каким образом возникли элементы.
Начавшееся с 30-х гг. ХХ века создание ускорителей дало возможность
повысить эффективность исследований в этой области. Х.А.Бете и Г.А.Гамов
способствовали установлению вероятных циклов термоядерных реакций,
являющихся источниками внутризвездной энергии. Стало ясно, что источником
большей части энергии Вселенной являются ядерные процессы. Встала задача
выяснения механизма высвобождения этой энергии. Э.Ферми, подвергнув
бомбардировке нейтронами тяжелые элементы, обнаружил огромную эффективность
медленных нейтронов. О.Ган и Ф.Штрасман открыли деление ядер урана под
действием нейтронов. О.Ган и Л.Мейтнер исследовали продукты распада
облученного урана и отыскали среди них элементы до атомного номера 96.
Деление ядер стало установленным фактом.
Тяжелые ядра могут иметь больше нейтронов по отношению к числу протонов
по сравнению с легкими ядрами. При расщеплении атома урана освобождается
несколько нейтронов. Так открылась возможность цепной реакции. Если в ходе
ядерного процесса можно было добиться получения больше чем одного
эффективного нейтрона на каждый первоначально затраченный нейтрон, реакция
убыстрялась. И если этим процессом не управлять, а дать возможность
развиваться, то он приводил к взрыву. В случае же управления мы имеем дело
с ядерным реактором. Все это привело к созданию Ферми ядерного реактора,
осуществлению цепной реакций деления ядер, атомного и термоядерного оружия,
атомных электростанций. (О перипетиях всего этого можно познакомиться в
специальной литературе). В истории человечества началась новая атомная эра,
открытая атомной физикой.
Считается, что реализация концепций атомной ядерной физики стала примером
самого быстрого практического применения науки. Оценивая это, Д.Бернал
писал: "Если бы это открытие было совершено в более спокойные времена XIX
века, оно разрабатывалось бы в конечном счете для практического применения
и, быть может, лет через 50 или около того нашло бы свое воплощение в новых
машинах для выработки энергии. Отсутствие материальной заинтересованности и
тот факт, что капиталы были вложены в уже существовавшие источники энергии,
могли бы, однако, еще на бесконечно долгое время задержать развитие
производства атомной энергии. Но, как известно, открытие ядерного деления
произошло в канун новой мировой войны. По счастью для правительства Англии
и Америки, некоторые из тех, кто был изгнан из своей родины нацистами и
фашистами, отдавали себе ясный отчет в военных возможностях сделанного
открытия. Однако более удивительным было, быть может, то обстоятельство,
что им удалось убедить военные и гражданские власти в необходимости крайне
энергичной разработки проекта, главным образом потому, что если бы они
этого не сделали, то противник, несомненно, первым создал бы свою
бомбу“.[18]
Так или иначе, появление подобных научных концепций не только определяет
характер современной эпохи, но и будущее общества. Появление концепций,
неумение распорядится которыми может грозить уничтожением человечества,
активно влияет на характер и формы и формы социального устройства.
Человечество, высвободив колоссальные силы, теперь обречено постоянно
думать над тем, как распорядиться ими. Эта проблема человечества в
практически обозримое время - вечная. Поэтому человечество должно научиться
жить с этой проблемой.
5. Концепции физики элементарных частиц
а) Современный статус понятия Элементарной частицы
Представление о том, что все во Вселенной делится на вещество и силы,
бытующие и в настоящее время, возникло давно. Еще Аристотель (см. раздел
"Аристотельская физика") полагал, что на вещество, состоящее из земли,
воздуха, огня и воды, действуют две силы: сила тяжести и сила легкости.
Первая влечет землю и воду вниз, вторая поднимает огонь и воздух вверх.
Аристотелю вещество представлялось непрерывным, а Демокриту - зернистым,
состоящим из атомов. Спор между сторонниками данных концепций дошел до ХХ
века. В его разрешении важный вклад принадлежит Эйнштейну, который в 1905
г. (еще до публикации статьи о специальной теории относительности) высказал
предположение, что броуновское движение (нерегулярное, хаотическое движение
мельчайших частичек, взвешенных в воде) можно объяснить ударами атомов
жидкости об эти частички. Как было показано ранее, первая попытка доказать
структурированность атома предпринял Дж.Томсон. В 1911 г. Э.Резерфорд
доказал, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся
вокруг него, отрицательно заряженных электронов. В 1932 г. Дж.Чэдвик
обнаруживает, что ядро кроме положительного протона содержит не заряженный
нейтрон с массой почти равной массе протона. В 1969 г. эксперименты М.Гелл-
Мана по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов и
электронов показывают, что протоны состоят из Кварков. Таким образом, было
установлено, что ни атомы, ни протоны, ни нейтроны не являются неделимыми.
Перед физиками и встал вопрос: что же считать элементарными частицами?
Может быть при переходе к еще большим энергиям и эти элементарные частицы
окажутся делимыми?
Таким образом, понятие элементарных частиц в настоящее время утратило
свой первоначальный смысл как частиц далее неразложимых, поскольку многие
из частиц, считавшихся элементарными, имеют сложную структуру (например,
протоны и нейтроны). Но осталась сама идея о существовании элементарных
частиц. Термин "элементарные частицы" сейчас употребляется в менее строгом
значении, а именно для названия большой группы мельчайших частиц материи,
которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона -
простейшего ядра атома водорода). Их число велико (с нестабильными
частицами насчитывается более 350) и продолжает расти.
В процессе исследования выявленных элементарных частиц устанавливались их
свойства. У электронов и протонов были выявлены масса, размеры,
электрический разряд, механический и магнитный момент. В рамках теории Бора
были установлены механический и магнитный моменты электрона и протона,
являвшихся чисто квантовыми свойствами. Было установлено, что спин -
собственный момент количества микрочастицы, имеющий квантовую природу и
измеряемый в единицах Планка, - может быть целым (0,1,2...) или полуцелым
(1/2, 3/2...).
Исследование бета-распада позволило открыть новое свойство элементарных
частиц - их превращаемости друг в друга: при бета-распаде из ядра вылетает
электрон, который рождается в результате превращения нейтрона в протон и
электрон. Было обнаружено при этом, что электроны, вылетающие из ядра при
бета-распаде, обладают различными скоростями и энергией, а оставшиеся после
бета-распада ядра обладают примерно одинаковой энергией. Измерения
установили, что в случае вылета медленных электронов баланс энергии при
бета-распаде не сохраняется, что казалось нарушением закона сохранения в
микропроцессах. Идея существования нейтрино, рождающегося при бета-распаде
и уносящего недостающую энергию, сохранило справедливость закона сохранения
энергии и в микромире. Открытие превращения нейтрона в протон и нейтрон
положило начало открытиям других форм превращения элементарных частиц друг
в друга.
Следующим выявленным свойством элементарных частиц была способность
определенных частиц взаимодействовать друг с другом. В классической физике
электрическое взаимодействие между заряженными частицами осуществляется с
помощью электромагнитного поля. С точки зрения квантовой физики
взаимодействие частиц есть процесс обмена фотонами, в котором фотоны
пропадают, отдавая свою энергию заряженным частицам. По аналогии с
образованием фотонов появилась идея о том, что подобным образом могут
рождаться и электроны. Поиски сил, связывающих в ядре протоны и нейтроны,
побудили И.Е.Тамма и Д.Д.Иваненко предположить, что ядерные силы есть
результат обмена электронами между нуклонами. Эксперимент эту гипотезу не
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27
